过程控制实验装置的制作方法.docx

过程控制实验装置的制作方法专利名称：过程控制实验装置的制作方法技术领域：本实用新型属于自动化控制技术，尤其是指一种过程控制实验装置背景技术：过程控制实验装置包括实验对象，系统执行机构包括变频调速器、交流电机、微型水泵和直流调速器、直流电机、微型水泵，运算调节模块包括模拟调节器、位式控制器、单片机系统、计算机控制等，显示模块包括数字显示仪表和计算机CRT显示，传感器信号检测放大模块包括传感器信号检测、放大和数字显示调理电路，以及与计算机实现通讯的辅助模块等过程控制实验装置的产品化，目前在国内几乎还是空白，国内大部分高校过程控制实验课程的开设率为零国内有部分重点高校自制了类似的水位控制等实验装置，但都是占地面积大，实验内容单一，控制方式简单，通常只用常规模拟仪表检测和控制，投入维护的人力、物力很大国外进口的过程控制实验装置虽然结构小巧玲珑、制作精细，但一般控制对象单一，通常只有水位控制，另外，实验内容单一仅涉及控制算法，而价格通常要数十万元发明内容本实用新型的目的在于设计一种过程控制实验装置，以改善实验条件，扩大实验内容，并使实验装置实现产品化其主要技术方案是运算调节模块的输出与执行机构连接，在执行机构的输出端连接实验对象，在实验对象与运算调节模块输入端之间连接传感器与放大调理电路。

所述运算调节模块可以是一种单片机系统该单片机系统由CPU、A/D、D/A电路、晶振电路、看门狗电路、通讯电路、数字光电隔离电路相互连接组成上述运算调节模块也可以是一种模拟调节器该调节器由相互连接的集成运算放大器、PID运算电路、模拟光电隔离电路及波段开关组成上述运算调节模块还可以是一种位式控制器，并且该控制器由集成运算放大器和逻辑运算电路连接而组成所述执行机构可以是一种由直流调速器与直流电动机及水泵连接而成的装置所述执行机构也可以由变频器与交流电动机及水泵相互连接而成上述执行机构还可以由固态继电器与加热器相互连接而成所述传感器可以是温度传感器、或压力传感器、或流量传感器、或液位传感器其中的液位传感器可以与压力传感器相同传感器放大调理电路由仪表放大器、集成运算放大器及数字显示调理电路连接而成本实用新型是基于控制理论基础之上的集模拟电子线路、单片机技术、计算机控制、管理为一体的智能实验装置该装置既可以为本专科学生开设过程控制、单片机技术、交直流调速等课程的实验，又可以为研究生、有关的专业教师和工程技术人员在复杂控制系统、智能控制系统和先进控制系统等方面的研究提供实验对象和实现手段1.本装置可开设20多个实验，内容覆盖了几乎所有自动化专业的专业基础课和专业课程的实验内容。

2.具有多种控制方式可供任意选择可用模拟调节器、位式控制器、单片机、上位计算机软件实现的控制器3.将信号的输入、综合和PID调节等功能设计成独立的单元模块，根据实验的需要，可任意组合连接，便于学生对过程控制基本理论的理解和加深印象4.利用单片机与计算机的通讯接口，使计算机实现数据采集、管理、运算以及多种方法的系统辩识、仿真和控制5.整个系统结构采用软件与硬件的结合，模拟与数字的结合，既可进行常规的模拟式控制，又可进行数字式调节和智能化运算图1为本实用新型的结构框图图2为单片机系统模块电路图图3模拟调节器模块电路图图4为位式控制器模块电路图图5为传感器放大调理电路图图6为数字显示调理电路图图7为模拟线性光电隔离电路具体实施方式其静态结构如图所示1、单片机系统电路该模块包括A/D芯片IC1、CPU芯片IC2、D/A芯片IC4、IC5、晶振电路X1、看门狗电路芯片IC3、通讯电路芯片IC6和RS-232C接口、光电隔离电路芯片ISO201、IS0202以及电阻R201～R210、电位器P201、排阻PZ1、电容C201～C211等器件，接线柱S1～S4等元件组成2、模拟调节器电路该模块包括运算放大器IC301～IC305、稳压器L301、波段开关K1～K5、电阻R301～R319、电位器P301～P307、电容C301～C309、二极管I301-I303等器件，以及模拟光电隔离电路连接而成；其中模拟光电隔离电路包括运算放大器IC701～IC706、模拟线性隔离器ISO701、电阻R701～R712、电位器P701～P702、电容C701～C703等器件和接线柱S5～S6等器件。

见图3、图73、位式控制器电路该模块包括运算放大器IC401～IC402、TTL集成电路U403～U405、比较器U401～U402、稳压管D401、电阻R401～R407、电位器P401、电容C401、三极管T401等器件组成4、传感器检测放大调理电路由仪表放大器IC501、集成运算放大器IC502、稳压管D501～D502、电阻R501～R514、电位器P501～P502、电容C501～C510、差压传感器MPX2010DP的输入信号等器件，以及数字显示调理电路连接而成；其中数字显示调理电路包括集成运算放大器IC601～IC604、稳压管D601/6V、电阻R601～R611、电位器P601～P602、电容C601～C603等器件见图5、图6图1中的虚线框图表示在使用中任意选用其中的一个其动态过程如下在选择好实验对象的被控参数温度、压力、流量、液位，控制器方式计算机、单片机、模拟调节器、位式控制器和执行机构交流电机、直流电机、加热器后，即可进行实验1、单片机系统控制(对照图2)单片机系统电路主要完成以下功能·对采集到的液位信号进行必要的处理，保证检测精度符合要求；·利用通讯接口与上位计算机实现数据通讯；·进行A/D、D/A数据转换；·将传感器信号送LED进行实时显示；·响应键盘输入，查看或修改用户设定的液位上、下限值。

通过键盘操作，可循环显示各回路的测量值，同时可实现不同的标度转换其过程为预先通过键盘KEY设定好给定值，PID参数、正/反给定等相关参数，然后通过INPUT端口接收传感器检测信号并经过信号放大调理转换成标准信号后，作为系统的反馈量，该信号经过单片机的A/D转换后送至CPU，并与内给定进行比较得到偏差信号，然后经过PID运算输出控制信号，通过D/A转换成模拟信号经过OUTPUT端口去控制执行机构，从而达到控制系统的目的同时，单片机通过RS232C接口与计算机通讯，将采集的数据实时传送给上位机2、计算机控制计算机通过单片机通讯口采集传感器信号，并将最终控制信号经单片机D/A口输出控制执行机构，从而达到控制系统的目的3、模拟PID调节器控制(对照图3、图7)模拟PID调节器能对偏差信号实现比例、积分、微分规律的控制它包括正/反作用，P、I、D运算，手动/自动切换等功能传感器检测信号经过放大调理，转换成标准信号Vi，通过端口送到PID模拟调节器，并与外给定信号Vs进行比较得到偏差信号，该偏差值先后经过微分、比例、积分运算后，再经过限幅处理，再经过INPUT端口输入，通过模拟光电隔离电路后，以1∶1的电压大小经OUTPUT端口输出去控制执行机构，从而达到控制系统的目的。

4、位式控制器控制(对照图4)该模块的主要功能是对偏差信号实现开关量控制从Vh、Vl端口接收外界设定信号，分别表示位式控制的上下限，传感器检测信号经过调理后通过Vi端口送到位式控制器中，将检测信号与设定信号比较后，输出一个高电平或低电平的控制信号，通过V04端口输出5、传感器检测放大调理电路(对照图5、图6)该模块的主要功能是放大差压传感器输出的毫伏级信号到伏级将差压传感器的输出信号分别接到Vin+、Vin-端口，然后经过仪表放大器IC501放大后，由V01端口输出再将V01端口信号通过数字显示调理电路转换成统一标准信号(1-5V)，经V03口输出送给运算调节模块和数字显示仪表权利要求1.过程控制实验装置，其特征是运算调节模块的输出与执行机构连接，在执行机构的输出端连接实验对象，在实验对象与控制部分输入端之间连接传感器与放大调理电路2.根据权利要求1所述的装置，其特征是运算调节模块是一种单片机系统，该单片机系统由CPU、A/D、D/A电路、晶振电路、看门狗电路、通讯电路、数字光电隔离电路相互连接组成3.根据权利要求1所述的装置，其特征是运算调节模块是一种模拟调节器，该调节器由相互连接的集成运算放大器、PID运算电路、信号限幅电路、波段开关及模拟光电隔离电路组成。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征是运算调节模块是一种位式控制器，该控制器由集成运算放大器和逻辑运算电路连接而组成5.根据权利要求1所述的装置，其特征是执行机构由直流调速器与直流电动机及水泵连接而成6.根据权利要求1所述的装置，其特征是执行机构由变频器与交流电动机及水泵连接而成7.根据权利要求1所述的装置，其特征是执行机构由固态继电器与加热器连接而成8.根据权利要求1所述的装置，其特征是传感器为温度传感器、或压力传感器、或流量传感器、或液位传感器9.根据权利要求1所述的装置，其特征是传感器检测放大调理电路由放大电路及数字显示调理电路连接而成专利摘要本实用新型属于自动化控制技术，尤其是指一种过程控制实验装置其主要技术方案是运算控制部分的输出与执行机构连接，在执行机构的输出端连接实验对象，在实验对象与与运算调节模块输入端之间连接传感器与放大调理电路其中的运算调节模块是一种单片机系统，或模拟调节器，或位式控制器执行机构可以由直流调速器与直流电动机及水泵连接而成，或由变频器与交流电动机及水泵连接而成，或由固态继电器与加热器连接而成。